Applicazioni del magnetismo per lo studio dei beni artistici e culturali

Enzo Ferrara Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica Strada Delle Cacce, 91-10135 Torino, Tel. 011 3919837, fax 011 3919834, ferrara@inrim.it Appunti delle lezioni di: Applicazioni del magnetismo per lo studio dei beni artistici e culturali M (emu/g) 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0-0.2-0.4-0.6-0.8 Magnetizzazione di saturazione M s Magnetizzazione rimanente M r Campo coercitivo H c Pozzolana Powder M s R = /M0.65 S =0.27 0.28 emu/g Campo coercitivo della VSM Hysteresis rimanenza Loop -5000-3000 -1000 1000 3000 5000 Field (Oersted) H CR 8 http://www.ien.it/~ferrara/lezioni.html 1

Indice - Sommario 1. Fenomenologia e proprietà del magnetismo: correlazioni fra configurazione elettronica, struttura e proprietà (ferromagnetismo, paramagnetismo, diamagnetismo, ferrimagnetismo, antiferromagnetismo). 2. Introduzione al magnetismo: fenomenologia, campi ed energie associate al magnetismo, poli magnetici; grandezze e unità magnetiche [induzione B(T), magnetizzazione M(A/m), campo H(A/m)]. Legge di Faraday (induzione magnetica). Il magnetismo nei materiali: cicli di isteresi, saturazione, rimanenza, campo coercitivo, anisotropia, suscettività (χ), permeabilità (µ), temperatura di Curie. 3. I minerali magnetici, ossidi e osso-idrossidi del ferro: proprietà (colore) e struttura. Magnetite, ematite, maghemite, goethite; titano-ematite, titano-magnetite; cicli di trasformazione e ossidazione. 4. Il magnetismo delle rocce: magnetizzazione dei sedimenti e stratigrafia delle rocce sedimentarie, magnetizzazione delle rocce metamorfiche sui fondali oceanici, domini magnetici (single domain, pseudo-single domain, multi domain), rilassamento (o viscosità) magnetica e comportamento superparamagnetico, temperatura di bloccaggio (blocking temperature) 5. Processi di magnetizzazione primaria: TRM (magnetizzazione termorimanente), VRM (magnetizzazione viscosa), IRM (magnetizzazione isoterma), CRM (magnetizzazione chimica rimanente), DRM (Detrital Remanent Magnetization). Regole di Thellier per la TRM (additività, reciprocità, indipendenza), diagrammi TRM-NRM. 6. La datazione magnetica: le basi geofisiche, il magnetismo terrestre (origini), declinazione, inclinazione, intensità del campo terrestre e della NRM nei materiali, variazioni secolari del campo terrestre, tecniche di ricostruzione e interpretazione delle curve di variazione secolare; diagrammi di Zijderveld. Esempi di datazione magnetica. 7. La prospezione archeologica con tecnologie magnetiche; motivazioni, metodologie (magnetometri: fluxgate, proton precession e zeeman effect). Correlazioni fra proprietà magnetiche, materiali nel sottosuolo e interazione con attività umane: batteri magnetotattici. Esempi. 8. Ricostruzione delle tecnologie di produzione ceramica: cottura, composizione, provenienza. Informazioni ottenibili attraverso la caratterizzazione magnetica (l ossidiana). Effetti sulle proprietà magnetiche delle trasformazioni ad elevata temperatura; temperatura equivalente di cottura. Esempi. 2

Nessun insegnante ha mai insegnato qualcosa a qualcuno. La gente in fondo è autodidatta. La parola "educatore" deriva dal latino "educare", verbo simile a edùcere che significa guidare, condurre. E appunto questo l'educatore deve fare: guidare, essere entusiasta, capire se stesso, mettere tutto questo sotto gli occhi degli altri e dire: Guardate, è meraviglioso. Venite a mangiare con me. Leo Buscaglia, Vivere, amare, capirsi (1996) L'oggettività non va confusa con l'assenza di giudizio; piuttosto, l'oggettività sta nel riconoscere le proprie preferenze ideologiche per poi assoggettarle ad una critica profonda, e anche nella volontà di rivedere o abbandonare le proprie idee quando non superano la prova (come solitamente accade). Stephen Jay Gould L'austerità potrà invece essere vissuta con piacere e come miglioramento della qualità della vita, se ci farà dipendere meno dai soldi, da apparati, da beni e servizi acquistabili sul mercato, ed esigerà che ognuno ridiventi più inter-dipendente: sostenuto dagli altri, dalla qualità delle relazioni sociali ed interpersonali, dalle conoscenze ed abilità, dall'arte di adattarsi ed arrangiarsi, da capacità non ottenibili con alcuna carta di credito, né chiavi in mano, pronte ad essere passivamente consumate.può essere una grande occasione. Alexander Langer, 1992 3

Introduzione La ricerca scientifica associata al magnetismo terrestre ha portato a conoscenze fondamentali, principalmente nel campo della fisica e della geologia, ma con importanti ricadute anche in altri settori. Alla fine del XVI secolo, William Gilbert (1544 1603) comprese che la Terra è assimilabile anche a un enorme dipolo elettro-magnetico, capace di generare un campo magnetico e mantenerlo nel tempo; nel 1830 Carl Friedrich Gauss (1777-1855) riuscì a formulare una procedura per la misurazione del campo magnetico e per l analisi delle sue caratteristiche, con metodologie e riferimenti tuttora validi e utilizzati; nel 1970 Louis Néel (1904-2000), grazie ai suoi studi sulle ceramiche, vinse il premio nobel per la fisica "per il lavoro fondamentale e le scoperte riguardanti l anti-ferro-magnetismo e il ferrimagnetismo che hanno portato a importanti applicazioni nella fisica dello stato solido". Negli anni Sessanta del secolo scorso, la scoperta delle faglie oceaniche e delle evidenze di inversione periodica del campo magnetico terrestre diedero conferma definitiva all ipotesi della deriva dei continenti, di Alfred Wegener (1880 1930) e come conseguenza, anche la teoria di Charles Darwin (1809 1882) sull origine delle specie ebbe ulteriore sostegno, grazie alla possibilità di una nuova lettura dei processi migratori nelle diverse ere geologiche. Queste nuove evidenze diedero notevole impulso agli studi sul geo-magnetismo, fino alla nascita di una nuova area di ricerca, amplissima, denominata paleomagnetismo e comprendente argomenti dalla fisica, alla geologia, alla paleontologia fino a tematiche inerenti l evoluzione dell ambiente e del clima sulla Terra. Tuttavia, ancora oggi, nei testi di geologia, geofisica, o anche di archeologia, lo spazio dedicato al magnetismo terrestre e alle sue implicazioni è decisamente ridotto, limitato solitamente ai temi della prospezione o, ancor meno, a quelli della datazione magnetica. È opinione dell autore di questo testo che lo studio dei fenomeni del magnetismo, associato all archeologia e alla geologia, possa rivelarsi particolarmente fruttuoso non solo nella raccolta di informazioni e dati utili per una lettura delle vicende storiche (o preistoriche) delle società del passato il più possibile integrata con l analisi delle condizioni ambientali, ma anche per la formazione culturale stessa degli studenti e studiosi interessati a queste aree di ricerca. Il mio ringraziamento va a tutte le persone, studenti e no, che hanno avuto (o ancora avranno) la pazienza di seguire questo corso, soprattutto a quanti hanno saputo farlo mantenendo uno spirito critico e costruttivo, e agli amici che sul lavoro mi hanno accompagnato in questi anni sopperendo, con buona frequenza, alle mie numerose difficoltà. 4

Magnetismo e Materiali Magnetici Introduzione storica Diversi secoli prima di Cristo, la scoperta della particolare proprietà di alcuni minerali come le ferriti (MO Fe 2 O 3, M = elemento metallico Fe, Mn, Zn, Sr, ), in grado di attrarre minerali di ferro, portò l uomo a relazionarsi per la prima volta con quell insieme di fenomeni naturali, tra i più antichi conosciuti nella storia della scienza, che rientrano oggi sotto la definizione generica di magnetismo. Già gli antichi Greci, nel V secolo a.c., avevano osservato che alcune pietre speciali manifestavano la capacità di attrarre piccoli frammenti di ferro in corrispondenza delle loro estremità. Troviamo notizia di fenomeni magnetici già nei testi di Plinio il vecchio (Historiae Naturalis), ma ancor prima, dal 121 a.c., esiste testimonianza che in Cina fosse noto che un pezzo di ferro metallico posto in prossimità di un magnete naturale acquisisce e ritiene nel tempo la magnetizzazione. Questi minerali, ricchi di ossido di ferro, furono fin dai tempi antichi chiamati generalmente magnetite, dal nome della regione greca in cui se ne trovava una particolare abbondanza e da cui erano estratti: la Magnesia (Magnetite: Fe 3 O 4 ). Il passo successivo nella comprensione dell elettromagnetismo fu accorgersi che gli aghi magnetici liberi di ruotare si orientavano naturalmente lungo l asse geografico Nord-Sud. Questo, con riferimento anche alla forma allungata, valse loro il nome di aghi calamitati o calamite (da calamus = canna) per la capacità di attrazione paragonata a quella della canna da pesca nella cattura della preda. In oriente, risulta che già nel 400 d.c. i magneti erano usati in navigazione, come bussole. In Occidente il primo cenno storico sull uso di un ago calamitato per la navigazione è del XII secolo, in un poema francese del 1125 nel quale si parla della bussola come strumento ormai noto: questo riferimento farebbe cadere il merito prioritario per l introduzione della bussola in Occidente a lungo attribuito a Flavio Gioia di Amalfi (XIV secolo). Un primo rapporto sistematico sullo studio dei fenomeni magnetici è contenuto nella famosa Epistola de magnete (1269) di Petrus Peregrinus da Maricourt (Francia). In seguito, nel XVI secolo, William Gilbert (1544-1603) nel "De Magnete, uno dei primi e più importanti studi scientifici relativi al magnetismo, ipotizzò per la prima volta che la Terra stessa fosse un enorme magnete: "Magnus magnes ipse est globus terrestris. Egli mise chiaramente in evidenza sia l esistenza dei due poli di natura differente (Nord e Sud) in grado di attrarsi, o di respingersi se di eguale segno, sia l impossibilità di separarli. I due poli terrestri divennero facilmente riconoscibili, in quanto si poteva sfruttare il fatto che la Terra si comportasse come un grande magnete in grado di orientare parallelamente alla direzione Nord- Sud gli aghi delle bussole; si scelse di chiamare Nord della calamita il polo che volgeva verso il Nord terrestre, senza preoccuparsi del fatto che questa scelta fosse in contraddizione con la proprietà prima ricordata che poli di uguale segno si respingono. Nonostante siano tanto antiche 5

le prime rudimentali e intuitive considerazioni e applicazioni riguardanti la forza magnetica, tali fenomeni sono stati sistematicamente codificati in leggi fisiche solo nel corso degli ultimi due secoli. Durante tutto il XVIII secolo, oltre agli studi sui fenomeni elettrici, si svilupparono numerose osservazioni e misure sul magnetismo, benché la fenomenologia della materia apparisse ancora complessa, quasi misteriosa, e comunque non riconducibile ad alcuna teoria: in ogni caso i due campi di ricerca (correnti elettriche e magnetismo) non mettevano in evidenza all epoca, alcuna connessione. Anzi, si arrivò a dichiarare che erano sicuramente indipendenti. Solo la disponibilità di flussi continui di cariche elettriche (la corrente elettrica ), resa possibile dalla pila di Volta, permise di rivedere le posizioni teoriche in questo campo. Agli inizi del XIX secolo l idea che i fenomeni elettrici e magnetici potessero essere in qualche modo connessi si stava diffondendo. L evidenza sperimentale, però, si riduceva all osservazione occasionale della magnetizzazione indotta dal fulmine o dalle scariche elettriche. Tale magnetizzazione appariva anche legata al magnetismo terrestre ed effetti simili alla magnetizzazione indotta fra magneti si potevano ottenere anche con la percussione durante la fucinatura del metallo, cosicché il ruolo dei vari fattori risultava tutt altro che chiaro. L interesse scientifico fu risvegliato dopo la pubblicazione, nel 1820, di un lavoro del fisico danese Hans Christian Oersted (1777-1851), professore al politecnico di Copenhagen, persuaso, come molti altri scienziati di cultura nordica, che tutte le forze e azioni esistenti in natura dovevano in qualche modo essere imparentate e derivare l una dall altra. Oersted inseguiva da anni l idea che dovesse esistere una relazione tra magnetismo ed elettricità, già nel 1813 aveva scritto: Andrebbe verificato se l elettricità nella sua forma più latente ha una qualche influenza sul magnete in quanto tale, ma avrebbe dovuto lasciar maturare la sua idea ancora per anni prima di poterla verificare sperimentalmente. Oersted scrisse in retrospettiva: A quei tempi il modo di procedere in questi esperimenti non mi era per nulla chiaro. Egli era convinto che così come un corpo soggetto ad una corrente elettrica molto forte emette in modo persistente nel tempo luce e calore, così, in modo analogo potesse emettere l effetto magnetico. Preparò quindi un sottile filo conduttore, capace di arroventarsi sotto l influsso della corrente ed emettere luce e calore, da collegare ai capi di una batteria voltaica. Dopo alcuni tentativi a vuoto, provò a porre il filo conduttore parallelo all ago magnetico. Contrariamente alla previsione dei più, quando il circuito fu chiuso l ago ruotò tendendo a disporsi perpendicolarmente al filo. Invertendo la direzione della corrente, l ago ruotava ugualmente ma in verso opposto; l ago magnetico risentiva del passaggio della corrente elettrica deviando dalla direzione originaria, senza essere attirato o respinto. Oersted, inoltre, si rese conto che l entità dell effetto di deviazione cresceva con l intensità della corrente ovvero, nel suo linguaggio: con la violenza del conflitto tra le due elettricità opposte. Riassunse i suoi risultati in un foglio di due pagine in latino Experimenta circa effectum conflictus electrici in vacuum magneticum, che alla fine del luglio 1820, fu spedito a tutti gli studiosi europei interessati. 6

Legge di Faraday o dell induzione magnetica Faraday eseguì due esperienze da cui derivò la legge dell induzione elettromagnetica. Nella prima esperienza, utilizzò un anello di ferro passante attraverso due bobine a e b. La bobina a alimentata da una batteria e la bobina b parte integrante di un circuito con rivelatore amperometrico. Aprendo e chiudendo l interruttore della bobina a si genera una corrente nella bobina b. Durante la seconda esperienza, avvicinando un magnete alla bobina b si produceva una corrente indotta che perdurava fino a che il magnete era in moto, e cessava non appena il magnete si fermava. Faraday osservò, dunque, che si induce una corrente quando il campo magnetico varia nel tempo rispetto alla superficie chiusa del circuito. f φ = t Poco dopo Faraday, Lenz comprese che il verso della corrente indotta (f) è tale da opporsi al campo generato dalla variazione nel tempo (t) del flusso (φ) dell induzione magnetica che l ha determinata. Da questa fenomenologia deriva il segno meno nella formula. Gli addetti ai lavori dovettero accettare che corrente elettrica e magnetismo non erano indipendenti. L esperienza di Oersted portava all assunto secondo cui un campo magnetico si genera in presenza di cariche elettriche in movimento, quindi, al problema di comprendere l origine del magnetismo nei corpi si aggiungeva la difficoltà di illustrare i rapporti tra elettricità e fenomeni magnetici. Dopo aver ascoltato la lettura della memoria di Oersted all Académie des Sciences di Parigi nel 1820, accettando l evidenza sperimentale, André Marie Ampère (1775-1836) abbandonò le sue precedenti convinzioni per elaborare una teoria matematica che giustificasse l esperienza di Oersted, intuendo che le proprietà magnetiche della materia potessero essere considerate l effetto delle correnti elettriche circolanti al suo interno. Era questa un ipotesi non osservabile empiricamente che a lungo fu circondata da perplessità e scetticismo, tuttavia, proprio essa contribuì a gettare le basi per poter considerare la materia come un sistema organizzato di nuclei atomici e di elettroni, cioè di particelle cariche in movimento. Ulteriore sviluppo alla comprensione dei fenomeni dell elettromagnetismo fu dato nel 1831, quando Michael Faraday (1791-1867), uno dei maggiori scienziati sperimentali di tutti i tempi, utilizzando un circuito di corrente elettrica cominciò a chiarire parte della fenomenologia elettrica e magnetica: un magnete genera nello spazio circostante un campo magnetico ed è soggetto a sua volta a forze se posto entro i limiti di un campo magnetico ad esso esterno. Solo agli inizi del secolo scorso, con l avvento della meccanica quantistica e lo sviluppo della fisica atomica si riuscì ad interpretare l elettromagnetismo in modo organico e soddisfacente. Basandosi sulle riflessioni di Faraday, James Clerk Maxwell (1831-1879) giunse, infine, attraverso l introduzione del concetto di campo a una trattazione matematica dei fenomeni elettromagnetici (Equazioni di Maxwell) di portata pari a quella che Newton aveva raggiunto circa centocinquanta anni prima nel campo della meccanica. 7

Cap. I: Fenomenologia e proprietà del magnetismo Un campo magnetico è generato da cariche elettriche in moto; questo fenomeno è rilevabile sia a livello macroscopico, come nel caso di un conduttore percorso da corrente, sia a livello microscopico, considerando il momento magnetico associato al moto orbitale (m l ) e il momento magnetico di spin (m s ) degli elettroni nei materiali, ovvero: il momento magnetico risultante di un atomo dipende dal numero e dalla disposizione dei suoi elettroni all interno degli orbitali. Per ottenere il momento magnetico totale dell atomo, occorre sommare i momenti magnetici dei suoi elettroni, tenendo in considerazione il fatto che intensità e direzione del momento atomico saranno date dalla combinazione dei diversi momenti elettronici di m l e m s. È possibile osservare che: gli atomi con livelli atomici completi, ovvero con coppie di elettroni aventi identici valori di spin m l e m s ma orientati diversamente (+ e -), non mostrano momento magnetico perché ogni contributo viene annullato da un contributo di pari intensità e di segno opposto; solo strutture atomiche con livelli elettronici incompleti mostrano un momento magnetico. Poiché negli atomi isolati gli elettroni di valenza formano una struttura incompleta, dovremmo aspettarci che tutti gli atomi liberi, tranne quelli dei gas rari, mostrino proprietà magnetiche. Tuttavia, quando si considerano i solidi, a causa delle interazioni di legame osserviamo pochi materiali in grado di mantenere un momento magnetico a temperatura ambiente, mentre a temperature inferiori a 0 C molti materiali incominciano a presentare proprietà ferromagnetiche, anche molto intense. A temperatura ambiente tutti i materiali magnetici contengono almeno un elemento di transizione, il quale possiede orbitali di tipo d fortemente orientati, non completamente riempiti (con elettroni spaiati). Questi orbitali, se non intervengono nella costituzione di legami nel solido, sono origine di forti effetti paramagnetici. Quando le distanze interatomiche sono tali da permettere il fenomeno quanto-meccanico dell interazione di scambio si producono effetti ferromagnetici marcati: questo suggerisce che il livello elettronico esterno incompleto é quello che fornisce il principale contributo al momento magnetico atomico. Affinché il campo magnetico possa essere assunto come grandezza fisica, occorre darne una definizione operativa, occorre, cioè, trovare un metodo per definirne le proprietà sperimentalmente. Macroscopicamente, tale obiettivo può essere raggiunto attraverso la forza F (si veda l equazione 1) 8

che, in presenza di un campo magnetico, H, agisce nel vuoto su una carica q in movimento con velocità v: F = q v µ 0 H Eq. (1) Nell equazione 1, µ 0 è la permeabilità magnetica del vuoto, che indica la facilità di propagazione del flusso magnetico nel vuoto e vale nel SI (Sistema internazionale delle unità di misura) 4π*10-7 Hr/m ( Hr = Henry = Volt s A -1 ). L notazione vettoriale ( x ) esprime il fatto che la forza agisce perpendicolarmente alla velocità ed alle linee di forza del campo magnetico.. L equazione 1 è detta anche legge di Lorentz e permette, ad esempio, di affermare che una particella carica in moto soggetta ad un campo magnetico costante compie una traiettoria circolare; attraverso la legge di Lorentz, nota la velocità v della particella e valutando il raggio di curvatura della traiettoria è possibile determinare direzione e intensità del campo magnetico, H la cui unità di misura, secondo il SI, è l Ampere su metro (A/m). A livello microscopico, per una trattazione corretta del magnetismo occorrerebbe utilizzare i concetti della meccanica quantistica. Tuttavia, almeno in prima approssimazione si può fare riferimento ad un modello atomico classico, considerando solo le orbite che gli elettroni percorrono sotto l azione del campo elettrico dei nuclei; questi ultimi, sono considerati immobili e ininfluenti per la produzione del campo magnetico. In base a tale modello intuitivo (Fig. 2), possiamo trattare le orbite elettroniche come spire circolari di raggio r, percorse da una corrente i prodotta dal movimento dell elettrone (attenzione m ha segno perché la carica dell elettrone è negativa). Eq. (2) Nell equazione (2) e e v sono, rispettivamente, la carica dell elettrone e la sua velocità (tangenziale v = ω r, ω = velocità angolare). All orbita elettronica, pertanto, può associarsi un momento magnetico m = i a (a = area sottesa dall orbita = πr 2 ). Il momento magnetico di ogni singolo elettrone risulta pari a: v i = e 2π r e m = v r 2 Eq. (3) Nella materia allo stato solido le orbite elettroniche di atomi adiacenti possono essere assimilabili a un insieme di spire elementari, di area da, ciascuna caratterizzata da un proprio momento di dipolo, dm = da i, in grado di generare un campo magnetico, H, per unità di volume, V, pari a: 1 m H = dm = V V Eq. (4) 9

Fig. 2: Considerando un orbita di raggio r e una corrente i che la percorre, in analogia con un orbitale i atomico, un campo magnetico H sarà prodotto all interno dell orbita, pari a H = [A/m]; si avrà un 2 r momento magnetico associato m = i a [Am 2 ]; l intensità di magnetizzazione, M, è il momento magnetico m m per unità di volume M = [A/m]; il momento magnetico per unità di massa è σ = [Am V kg 2 /kg]. Intuitivamente, si può ricavare il valore del momento magnetico m di un corpo esteso, considerandolo come un insieme di dipoli (Fig. 3) e osservando che i contributi delle correnti adiacenti all interno del materiale si elidono vicendevolmente, in quanto antiparallele, poiché, in una regione uniformemente magnetizzata, tutte le correnti ruotano nello stesso verso. Figura 3: il momento magnetico m di un solido equivale alla somma dei momenti delle unità elementari che lo compongono L unica regione del corpo dove tali annullamenti reciproci non hanno sede è la superficie esterna; il momento magnetico totale di un corpo può allora essere considerato pari alla sommatoria dei singoli momenti atomici, ovvero al campo generato da un unica spira di corrente che avvolge la sezione considerata: m = i n S= i a Eq. (5) 10

L equazione 5 tiene conto dei contributi di tutti i dipoli: n è il numero di atomi disposti entro l area della sezione, S, del corpo solido presa in considerazione; il prodotto i n si misura in Ampere (A). Essendo il momento magnetico totale proporzionale al volume, è possibile definire l intensità di magnetizzazione, M, (momento magnetico per unità di volume) come: M = i n S V = m A Eq. (6) L induzione magnetica, B, ovvero la densità di flusso magnetico che attraversa un corpo magnetizzato, è uguale al prodotto tra l intensità di magnetizzazione e la permeabilità magnetica nel vuoto µ o : B = µ o M Eq. (7) L unità di misura dell induzione, adottata dal SI, è il Tesla (T); un Tesla è l induzione magnetica di un campo che agisce con la forza di 1 Newton su una carica di 1 Coulomb che si muove alla velocità di 1 m/s. Questa unità di misura è piuttosto elevata, normalmente si usano sottomultipli di T (mt, µt, nt) o, soprattutto negli USA, il Gauss (G), unità di misura dell induzione magnetica nel sistema c.g.s. (1 G = 10-4 T). Secondo quanto riportato sopra, si può dimostrare che il campo magnetico H i, generato dalle correnti superficiali del materiale è pari ad M (H i = M); inoltre se è applicato un campo magnetico esterno, H, la densità di flusso magnetico (o induzione, B) risulterà uguale a: B = µ o (M+H) Eq. (8) Il vettore B viene anche definito come segue: B = µ o M+µ o H. Dove il termine µ 0 M è denominato polarizzazione magnetica, I, ed ha come unità di misura la medesima dell induzione magnetica [I = µ 0 M ] (T). In assenza di un campo magnetico esterno, l induzione (B = µ 0 M) ha linee di campo solenoidali, ovvero le linee del flusso magnetico compiono circuiti chiusi che non hanno una zona di origine né di termine. Una grandezza importante per definire le proprietà magnetiche dei materiali è la suscettività magnetica χ che corrisponde al rapporto tra l intensità di magnetizzazione e il campo magnetico applicato. χ = M H 11 Eq. (9)

La suscettività è una grandezza adimensionale ed indica quanto una sostanza può essere magnetizzata in presenza di un campo magnetico. Il valore di χ è usato, generalmente per descrivere le diverse classi di materiali magnetici. Nelle sostanze diamagnetiche χ è negativa (χ < 0) mentre è positiva nelle sostanze paramagnetiche (χ > 0) e positiva con elevato valore assoluto nelle sostanze ferromagnetiche (χ >>0). Analogamente, si può osservare che la dipendenza dell induzione di un materiale dal campo H è sintetizzata dalla permeabilità magnetica B = H µ Eq. (10) Se definiamo permeabilità relativa µ r, il rapporto µ/µ 0, dividendo tutti i termini dell equazione (8) per H risulta: µ r = 1 + χ Eq. (11) Come conseguenza, la permeabilità relativa µ r risulta minore di 1, maggiore di 1 ed estremamente elevata, rispettivamente, nei materiali dia-, para-, e ferro-magnetici. Occorre notare che le proprietà magnetiche dei materiali sono dettate non solo dal valore della magnetizzazione ma anche da come essa varia in relazione all intensità del campo esterno H (la relazione non è lineare, cioè M e B non aumentano in modo continuo al variare di H). Inoltre, poiché i materiali magnetici hanno geometria finita, le linee di flusso del campo creano all esterno di ogni corpo un campo aggiuntivo di natura conservativa, detto campo smagnetizzante H d direzionato nel verso opposto rispetto a M. Il campo smagnetizzante, come qualsiasi campo magnetico, interagisce con la magnetizzazione stessa, dando luogo a un termine di energia definito densità di energia magnetostatica; come conseguenza, in parità di condizioni esterne, la magnetizzazione di un materiale dipende fortemente anche dalla sua geometria (spessore, lunghezza, diametro, ). Questa è una peculiarità non unica ma molto marcata nei materiali magnetici. Tabella I: schema riassuntivo delle diverse grandezze magnetiche e delle relative unità di misura nel Sistema internazionale (SI) e nel sistema cgs 12

Grandezze Simbolo SI CGS Fattori di conversione Induzione magnetica B Tesla (T) Gauss (G) 1 T = 10 4 G Campo magnetico H A/m Oersted (Oe) 1 A/m = 4π /10 3 Oe Magnetizzazione M A/m emu/cm 3 1 A/m = 10-3 emu/cm 3 Magnetizzazione per unità di massa σ Am 2 /kg emu/g 1 Am 2 /kg = 1 emu/g Momento magnetico m Am 2 emu 1 Am 2 = 10 3 emu Suscettività χ adimensionale adimensionale χ cgs =χ SI /4 π Suscettività per unità di massa Permeabilità magnetica del vuoto k m 3 /kg emu/oe g 1 m 3 /kg = 10 3 /4π emu/oe g µ 0 H/m adimensionale µ 0cgs = µ 0SI /4π10-7 H/m 13